城市軌道交通在為人們提供方便、快捷、綠色出行方式的同時，其安全性也是一直關注的重點。如今，隨著“新基建”的提出，城市軌道交通將迎來怎樣的變化呢？
面對復雜的軌道交通各個子系統，應該選擇什么樣的供電解決方案來保障系統的高可靠性？在產品功能方面又該如何選擇？
針對這些問題，伊頓大中華區應用技術總監王偉在以 “從軌交行業 UPS 應用看伊頓的解決之道” 為主題的線上研討會上給予了全面解讀。
城市軌道交通引爆基建狂潮，UPS 行業機遇在哪里？
在剛剛結束的政府工作報告中，“新型基礎設施建設”概念備受矚目，這將在未來很長一段時間內，成為推動產業多維度加速改革和轉型的新王牌。
在“新基建”的七大領域中，與 UPS 行業密切相關的莫過于城市軌道交通、5G 基站、大數據中心、工業互聯網，其中軌道交通作為城市的大動脈，與人民群眾的日常生活休戚相關，并將極大地改善城市經濟發展的基礎硬件環境，尤其得到地方政府的重視。截止到 2019 年，我國共有 65 個城市的軌道交通線網規劃獲批，總長度約 7339.4KM（不含已經建成的），引爆新一輪基建狂潮，也為 UPS 行業帶來巨大商機。
城市軌道交通與 UPS 電源相關的子系統主要有通信系統、信號系統等十幾個子系統，這些子系統又分布再沿線站點、控制中心、乘客集散中心、車輛段、停車場、維修中心、培訓中心等分散的地域。為了確保這些系統能高效、安全、可靠運行，向它們提供具有高品質、高可靠性和高可用性的 UPS 供電系統是必不可少的基礎性運營條件。
軌交系統 UPS，供電模式及挑戰
對于一條地鐵線的控制中心來說，它所需的 UPS 供電系統的典型需求為：
由上圖表格可見，在軌交系統建設中，UPS 供電系統按照各子系統負載諸如計算機型設備、網絡控制設備、通信設備、信號設備等主設備的不同分類、容量與后備時間來設計方案，各子系統在各站點的負載容量在幾到幾十個千瓦不等。
在每個站點采用多臺小功率 UPS 來各自分別帶不同專業的負載，這種供電模式稱為分散供電方案。與采用多臺小功率 UPS 所組成的分散式 UPS 供電系統相比，目前很多新建項目的主流模式是采用集中供電的設計方案，每個站點采用技術更優、性價比更好的大容量 UPS 來代替多臺小容量 UPS。被整合的子系統包括：
列車綜合自動化系統（TIASA）
專用通信系統（警用通信除外）
環境與設備監控系統（BAS）
乘客信息系統（PIS）
自動售票系統（AFC）
門禁系統（ACS）
大集中式供電設計方案綜合了幾個不同專業負載的容量和重要性考量，來確定所需配置的 UPS 輸出功率大小及其電池后備供電時間的長短，通常單機容量為 120-200kVA，在重要的車輛段和控制中心為 200-300kVA；系統采用 1+1 冗余并機模式，有些城市軌交還要求配置與 UPS 一體化設計的輸出隔離變壓器及 “智能型配電柜”。智能配電柜用來集中監控 UPS 主機、穩壓隔離柜、蓄電池、進線柜、饋線柜等，并進行信息上傳，以便根據各種負載的重要程度不同，來執行“分時、自動卸載”操作，從而達到對不同的用電設備提供“有差別”的電源保護的目的。
UPS 作為軌道交通行業功能系統中應用最多、最核心的電源保護產品，由于應用場景的多樣化和復雜化，使用中往往面臨諸多挑戰：
安全性挑戰：安全生產對電源系統依賴嚴重。
環境適應性挑戰：設備多在較為惡劣環境中安裝使用，需要做專門防護設計。
復雜性挑戰：子系統繁多，管理難度大，要求 UPS 系統一致性強，管理簡潔、便利。
重要性挑戰：負載等級高，需配套相應的高等級解決方案。
綠色節能挑戰：電力維修服務的質量和效率低，導致間接巨額損失。
伊頓 UPS 在城市軌道交通行業的解決之道
伊頓 UPS 可是說是伴隨著中國地鐵的發展而成長，從 1993 年開始用于上海地鐵一號線到目前，經過多年的技術沉淀，伊頓 UPS 已經與城市軌道交通項目中的各子系統構建了良好的系統匹配。根據城市軌道交通 UPS 應用的特殊需求，在保障主要電氣性能的基礎上，立足于加強安全可靠性設計、環境防護設計和可維護性設計，伊頓專門推出了軌交版專用 UPS 系列。
小功率模塊化 UPS：軌交版 91PS/93PS，8-40kVA
中功率模塊化 UPS：93PR，25-300kVA
模組化塔式 UPS：軌交版 93E，15-500kVA
(1)伊頓軌交版 UPS 的可靠性設計
01.UPS 輸出保護機制
UPS 在城市軌道交通應用中，若輸出保護機制不夠完善，逆變器故障短路時可能會導致旁路輸入配電保護開關在內的所有開關跳閘、設備供電中斷，導致列車停運的重大安全事件。
伊頓軌交版 UPS 逆變輸出回路配置了伊頓高可靠性反時限保護快速熔斷器，能實現精準保護。出現逆變器短路時，輸出熔斷器及時熔斷，切除短路點，旁路不間斷供電，負載供電可靠性得到保障。
02.電池的主動保護機制
內置電池接觸器，不依賴外部電池開關是否動作即可在電池故障或放電到截止電壓時自動保護蓄電池。
03.交流直供模式
伊頓軌交版 UPS 在交流直供供電模式下，整流器和逆變器均處于休眠狀態，逆變輸出開關處于接通狀態，在負載大于 20% 的情況下即可達到 99% 的供電效率；逆變器處于休眠狀態時，無短路隱患，并且功率器件、風扇、電容等也未投入正常運行，使整機壽命得以延長，增強了設備的可持續可靠性。
伊頓交流直供技術保證了優異的供電品質。在該模式下，其整流和逆變部分等效于巨大的濾波器，有效吸收電網中可能浪涌能量，確保負載不直接受浪涌的能量沖擊，減少尖峰能量及電網干擾。
伊頓交流直供技術的快速切換專利保證了負載供電的安全性。由于逆變輸出始終處于閉合狀態，所以從市電供電切換到逆變輸出時的典型時間值為小于 2ms，伊頓利用這一專利切換技術保證了快速追蹤的實現，確保切換迅速，從而確保負載安全。
伊頓交流直供技術還具有雷暴偵測功能，可以確保在惡劣市電條件下負載依然能得到可靠保護。當 UPS 偵測到一定時間內持續出現 3 次市電異常時， UPS 將會鑒定為可能正遭遇雷暴等異常狀況，系統退出 ESS 模式，并將負載鎖定在雙變換模式，UPS 系統隨后進入甄別/計時期，在此期間，若市電不再出現異常，UPS 會解除鎖定，并再次自動進入交流直供模式。
04.獨有熱同步并機技術消除單點故障
伊頓 Hot Sync? 專利熱同步并聯技術無需并機通訊數據線，有效消除單點故障瓶頸；自適應并機，無主從關系，最多可實現 8 臺并機，并保證并機系統中每臺 UPS 的輸出同步、負載均衡，最大限度保證并機的可靠性和冗余性。這一專利保護的成熟技術，已經成功運用在全球十萬多套并機系統中。
05.ABM 智能化電池管理系統，延長電池使用壽命 50%
對于占系統成本很大部分的電池，伊頓軌交專用版 UPS 采用了 ABM 智能化電池管理系統，間歇式充電方式與傳統長期浮充模式相比能延長電池使用壽命 50%，還能對電池故障前瞻性預警，為城市軌道交通行業的電池使用安全性提供了有效保障。
06.電容溫度檢測
伊頓軌交版 UPS 所提供的高可靠電容與電容檢測選件，可以對電容溫度即時偵測，及時預知風險并預警，提高城市軌道交通行業用電保障。
07.以油浸電容帶起干式電容
2019 年 8 月 2 日，HSE（英國健康與安全執行局）下達了安全風險警示，指出自愈式聚丙烯膜薄干式電容器存在安全風險，干式電容器容易受工作負荷和環境溫度等因素影響，有發熱自燃導致 UPS 起火的風險。
而伊頓 UPS 所配置的油浸式電容器性能穩定、無自燃風險，更有效、更安全。
08.防雷/浪涌保護
針對城市軌道交通行業的應用特點，伊頓軌交版 UPS 進行了加強型防雷選件，符合 C 級防雷的放電電流標準，高放電能力符合 IEC61643-1 和 GB18802.1-2011 標準，模塊化的設計，更易于安裝和維護。
(2)伊頓軌交版 UPS 的環境防護設計
針對城市軌道交通行業戶外環境惡劣等特點，伊頓軌交版 UPS 標配防塵網，提升產品適應惡劣環境的能力，防塵網使用阻燃設計，符合美國防火標準 UL 94 及濾塵網標準 UL900，拆卸、清洗便捷，維護費用低。
在防塵設計布局方面，伊頓軌交版 UPS 的模塊、器件均采用防塵布局，風道結合安規爬電距離科學設計，減少設備內部積塵。
前進風后出風設計，有效避免下進風方式可能帶入的灰塵或異物。
對于軌交系統濕度過大的問題，伊頓軌交版 UPS 采用加強型 PCBA 三防噴涂工藝，提升了防塵防潮防腐蝕性能和抵御高濕環境的能力。
(3)伊頓軌交版 UPS 的可維護性設計
現代地鐵正在向著全自動運行方向發展，供電系統除了利用創新技術提高系統可靠性，還要幫助城市軌道交通行業實現減少專業人員配置，降低設備運維成本。
模塊化設計。伊頓利用 UPS 模塊化熱插拔設計和模組化結構設計等設計理念，為現場維護人員通過快速更換模塊實現維護提供了便利條件，也提高了 UPS 系統的可靠性和可用性。
風扇冗余易更換設計。伊頓軌交版 UPS 散熱風扇等易損部件采用了冗余易設計，在更換風時不影響系統正常運行，從而確保整機的高可用性。
IR 遠紅外掃描。伊頓軌交版 UPS 前進風后出風的開孔設計結合獨特的元件熱點布局，支持非接觸遠距離紅外熱成像掃描，即時檢測關鍵元件，提前預知熱點，防患于未然。
在線假負載測試技術。伊頓軌交版 UPS 具有獨特的在線假負載測試技術，為大容量 UPS 的測試提供了一種至為靈活的解決方案。無需假負載箱及線纜、連接工程等，以模擬測試的方式實現，能量從 UPS 的靜態旁路反饋回 UPS 輸入過程中，所有主要功率器件可靠性均能得到滿載驗證，在線假負載測試過程能量損耗低，同時減少大量的人力物力，節約了建設成本。
作為在軌道交通行業有著 20 余年經驗的 UPS 品牌，伊頓深研軌道交通行業 UPS 應用特點和不斷挖掘用戶需求，在標準版 UPS 基礎上，通過提高安全可靠性設計，環境防護設計和可維護性設計為用戶提供完善 UPS 供電解決方案。
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